沥青路面罩面的疲劳裂缝扩展寿命研究

沥青混合料加铺层被广泛地应用于沥青路面和水泥混凝土路面的维修养护,以改善路面性能和路面结构的承载能力。但所设计的沥青加铺层仍会受到其下部结构层内原有裂缝的影响,即在外部荷载作用下裂缝附近的沥青加铺层底部产生应力集中,易形成反射裂缝,这严重影响着罩面层的使用寿命。应用疲劳断裂力学知识对裂缝在罩面层扩展的过程进行分析,供设计罩面提供参考。     

基于路面加速加载的沥青路面疲劳损伤预估模型标定方法

为提高工程应用中沥青路面疲劳损伤预估模型的可靠性,提出了一种结合小型试件试验与足尺路面加速加载试验的模型标定方法;基于路面疲劳损伤发展特征分析,提出采用非线性增量递归法的沥青路面累积疲劳损伤分析方法,适用于疲劳损伤预估模型由小尺寸试验向足尺试验条件的转移与外推;基于小尺寸试件试验疲劳寿命预估模型构建了足尺沥青混合料层疲劳损伤预估模型,利用疲劳寿命预估模型转移方程实现足尺路面加速加载条件下的疲劳损伤预估;为确定模型转移方程,提出了基于路面加速加载试验的疲劳损伤标定方程,推导了疲劳损伤预估模型待定系数标定方法;利用重型荷载模拟器实施了级配碎石组合式基层沥青路面足尺试验路段加速加载试验,结合路面钻芯试样动态模量与四点弯曲疲劳试验,标定和验证了沥青混合料层的疲劳损伤预估模型。研究结果表明：非线性增量递归法可考虑材料非线性、性能衰减和加载历史对结构层疲劳损伤累积的影响,符合实际路面疲劳损伤发展规律;利用标定确立的疲劳损伤预估模型可以预测试验路不同加载区间沥青混合料层的累积疲劳损伤,50%和90%的预测值相对实测结果的误差分别小于3.1%和20.0%,表明该预估模型具有一定可靠性;提出的模型标定方法,可为基于路面加速加载试验的沥青路面疲劳损伤预估模型建立提供参考,为路面设计和养护维修决策提供更加可靠的性能预估模型。     

水对沥青路面疲劳寿命影响初探

沥青混凝土是一种多孔介质,由于配合比设计及施工等方面的原因,难免存在一些连通或半连通的空隙,雨水会顺着这些空隙流动,特别是在路表排水不畅的情况下,雨水较易渗入。在半连通空隙的路面以及排水不畅的桥面,雨水长期积存于沥青混凝土中,加速了沥青路面的损坏。为探索水对沥青路面疲劳性能的影响程度,湖北省京珠高速公路建设指挥部进行了专门研究。     

沥青路面疲劳当量温度计算方法研究

我国现行沥青路面设计规范以15℃作为测定沥青混合料疲劳性能的试验温度,忽略了地区之间存在明显的温度差异。根据路面弹性力学层状理论,对控制应力与应变两种疲劳加载模式进行分析,讨论了适用于路面实际疲劳状况的加载模式。分析了影响沥青路面疲劳寿命的因素,并采用SHELL方法,根据Miner法则计算疲劳当量温度,提出了日疲劳当量温度的计算公式,计算了我国8地区的年疲劳当量温度,讨论了不同地区疲劳当量温度的取值范围和取值方法。此研究结果为提高路面结构分析精度提供了可靠的温度参数依据。     

寒区沥青路面服役性能Ⅱ:疲劳寿命预估模型

低温及冻融作用下的沥青混凝土开裂是道路工程中寒区沥青路面的主要病害形式之一。为量化寒区状态下这两类病害演化的影响,开展基于冻融分区下寒区沥青路面疲劳寿命预估模型的研究。首先,建立沥青混合料冻融损伤疲劳寿命衰变模型;然后,基于热量和降水指标进行冻融环境量化分区,根据损伤等效原则建立室内外冻融次数对应关系;最后,基于沥青混合料冻融损伤疲劳寿命衰变模型和室内外冻融次数对应关系,提出不同地区考虑冻融作用的调整系数计算方法。结果表明：对于不同地区,考虑冻结指数和考虑冻融的调整系数相对误差在20%以内;对于冻融频繁但低温不严重的地区,应当综合选取考虑冻结指数和考虑冻融的调整系数,以提高沥青混合料层疲劳寿命预估精度。研究结果可为寒区沥青路面疲劳寿命预估提供参考。     

一种预估沥青路面剩余寿命的经验方法

本文通过对沥青路面典型路段路况调查，建立了路面破损状态与弯沉的关系，并根据梅纳假定描述了路面结构承载力在交通荷载重复作用下的衰减规律。在此基础上提出了一种以路面破损状态预估路面剩余寿命的方法，可以为路面养护的科学决策提供依据。     

水泥混凝土路面早期裂缝的形成机理

为了为混凝土路面设计和计算提供一种新的思路，从混凝土路面面层与基层之间的层间结合关系，定性分析了板底早期裂缝的形成机理，利用已有的模型计算混凝土收缩过程中由于基层的约束而产生的拉应力，并分析了这种拉应力对路面板早期开裂的影响．在此基础上，利用断裂力学的原理分析了早期裂缝对路面使用性能和疲劳寿命的影响．     

平整度对水泥砼路面疲劳寿命的影响分析

通过现场试验,分析了在车板相互作用下水泥砼路面板底动应变与路面平整度、车速之间的关系.在此基础上,进一步分析了路面板底应力与疲劳寿命的关系,认为平整度是水泥砼路面疲劳破坏的重要影响因素之一,为水泥砼路面设计理论和方法提供依据.     

平整度对水泥砼路面疲劳寿命的影响分析

通过现场试验,分析了在车板相互作用下水泥砼路面板底动应变与路面平整度、车速之间的关系.在此基础上,进一步分析了路面板底应力与疲劳寿命的关系,认为平整度是水泥砼路面疲劳破坏的重要影响因素之一,为水泥砼路面设计理论和方法提供依据.     

一种新的高周疲劳寿命估算方法

采用金属材料微元屈服极限随机分布模型,计算出每次循环产生的微观塑性应变,并与用单调拉伸试验确定的材料真实断裂延性联系起来．用此方法即可估算材料的高周疲劳寿命,以40Cr钢为例比较了本方法计算与试验结果,两者误差小于30％。     

新疆岩沥青改性沥青混合料疲劳性能的试验研究

为了揭示岩沥青改性沥青混合料的疲劳耐久性,利用MTS-810材料试验系统,分别对普通重交沥青混合料、SBS改性沥青混合料和岩沥青改性沥青混合料等3种混合料进行了不同应力比下的疲劳试验,建立了3种沥青混合料的S-N疲劳方程,并对3种沥青混合料的疲劳试验结果进行了比较.在相同的应力比试验条件下,岩沥青改性沥青混合料的疲劳寿命最大,普通重交沥青混合料的疲劳寿命最小.岩沥青改性沥青混合料S-N疲劳方程参数k最大,n最小.研究结果表明:两个疲劳方程参数k和n均证实了岩沥青改性沥青混合料具有较好的抵抗疲劳荷载的能力.在荷载水平增加相同幅度的情况下,岩沥青改性沥青混合料的疲劳寿命衰减量最小.在相同的级配、油石比和荷载条件下,其疲劳耐久性最好.     

考虑旧路剩余寿命的加铺层结构设计

通过沥青混合料小梁的室内二级荷载疲劳试验, 模拟旧路沥青面层材料加铺前和加铺后的疲劳损伤特性。运用混凝土材料等效损伤理论, 进行了半刚性基层荷载作用次数在加铺前后的换算, 系统地提出了包括旧路面层和基层的剩余寿命预估、加铺层设计和验算在内的沥青加铺层设计方法, 并采用此方法对山东省东港高速公路加铺结构进行设计。分析结果表明: 初拟结构一、二的疲劳寿命都能满足交通量的要求, 但是考虑到经济因素以及各结构层疲劳寿命与交通量的协调性, 建议采用12cm LSPM-25的结构二作为东港高速公路的加铺结构。     

钢桥面沥青混凝土铺装疲劳裂缝扩展数值分析

为揭示钢桥面沥青混凝土铺装裂缝行为机理, 分析了铺装层疲劳裂缝扩展阻力曲线, 利用复合梁疲劳试验数据, 采用三维有限元方法, 研究了铺装层裂缝启裂、扩展直至失稳的全过程。结果表明: 疲劳裂缝扩展阻力曲线形式与材料类型和“铺装层+钢板”复合结构有关系; 当天然初始裂缝长度为0时, 疲劳裂缝扩展一般存在3个阶段: 起始扩展区、稳态扩展区和失稳扩展区, 此时复合梁的疲劳寿命接近800万次; 当初始裂缝长度为10 mm时, 疲劳裂缝扩展直接进入失稳扩展区, 疲劳寿命约为200万次; 裂缝增长率与荷载作用次数之间存在良好的非线性关系。可见, 钢桥面铺装层宜选用空隙率小、易密实的铺装材料, 同时可根据荷载作用次数推断出铺装层疲劳裂缝的状态。     

旧水泥砼路面沥青加铺层反射裂缝试验研究

利用AAPA对旧水泥砼路面沥青加铺层进行反射裂缝试验研究,分析了组成结构类型、集料级配、沥青、矿粉、纤维和橡胶粉对混合料抗反射裂缝能力的影响,结果表明,混合料的组成结构类型和沥青性质是影响混合料反射裂缝抵抗能力的主要因素,同时矿料4 75mm筛孔的通过率与混合料的疲劳寿命有良好的相关性,此外,合理确定粉油比和选用外加剂都是提高混合料疲劳寿命的重要手段.     

土基模量对水泥混凝土路面轮载疲劳开裂损伤的影响

基于有限元软件KENSLABS, 构建了水泥混凝土路面轮载损伤计算模型, 引入地基季节调整系数与零养护疲劳准则, 分析了土基模量整体削弱对路面疲劳开裂指数的影响, 探讨了当量轴载系数与多轴通过一次的计算次数对土基模量的依赖性, 研究了不同土基模量下板厚、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数等核心路面设计参数与路面开裂指数的关系。研究结果表明: 水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着地基季节调整系数的减小而增大, 增大速度随地基季节调整系数的减小而加快, 当地基季节调整系数从1.0减小为0.8和从0.4减小为0.2时, 在单轴、双轴和三轴荷载作用下, 路面开裂指数分别增大了2.8、2.9、1.5倍和49.8、269.0、1 351.4倍; 当量轴载系数与多轴通过一次的重复计算次数受到板厚与土基模量的影响, 在土基模量为60 MPa, 板厚为15cm或35cm时, 单轴荷载比双轴荷载更易产生损伤, 双轴荷载比三轴荷载更易产生损伤, 在土基模量为20MPa, 板厚为15cm时也是如此, 但在土基模量为20MPa, 板厚为35cm时, 结论则与前相反; 水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着面板厚度、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数而改变的幅度与土基模量直接相关, 当土基模量为20、60 MPa时, 面板厚度从21cm增加到25cm, 疲劳开裂指数分别减小1.18×10、1.18×10^-2, 当混凝土抗弯拉强度从4.0 MPa增大到4.4 MPa, 疲劳开裂指数分别减小1.28、2.20×10^-3, 当单轴轴重从80kN增大到160kN时, 疲劳开裂指数分别增大5.48、7.36×10^-3, 当单轴荷载每日重复作用次数从50增加到90时, 疲劳开裂指数分别增大2.05×10 -1、5.07×10^-4; 增设厚度为15cm的水泥稳定基层后, 设定工况下的路面疲劳开裂设计寿命增加3.42年; 在提高土基模量的同时, 宜优先考虑适当增加板厚, 严禁超载, 设置水泥稳定基层等措施, 可以控制水泥混凝土路面受轮载作用的疲劳开裂破坏。     

长寿命沥青路面设计指标研究

为了研究长寿命路面设计方法, 采用SHELL、AI等设计方法对国外提出的沥青层底拉应变与土基顶面压应变标准进行了验证, 根据国外典型长寿命路面结构组合进行应变指标计算与统计分析, 并基于中国路面设计参数对长寿命路面设计指标进行修正。经过统计分析, 验证了国外提出的2个长寿命路面设计指标的可行性, 并提出了适用于中国长寿命路面结构设计的控制指标: 沥青层底拉应变不大于120×10^-6, 土基顶面压应变不大于280×10^-6, 并对已有试验路结构进行了力学分析。分析结果表明: 试验路的沥青层底拉应变均小于120×10^-6, 土基顶面压应变均小于280×10^-6, 这表明试验路段满足长寿命路面指标。     

基于二维浅水方程的直线段沥青路面径流特性

基于二维浅水方程的水动力学方法建立了直线段沥青路面径流的数值模型, 根据实际降雨条件下沥青路面径流变化过程的监测结果验证了模型参数, 研究了路面宽度、组合坡度等几何参数与路侧排水方式对路面径流时空分布特性的影响。研究结果表明: 设计降雨条件下, 路面径流在空间分布上呈较强的二维特性, 沥青路面径流深度变化依次经历增加、稳态径流与退水3个过程; 漫排水条件下, 路面宽度分别为11、15、20、25、30 m时, 路面径流最大深度分别为11.87、14.39、17.08、19.69、21.98 mm, 退水时间分别为1.4、1.4、2.4、2.9、3.4 min; 路面径流深度增幅随路面宽度的增加而降低, 退水时间随路面宽度的增加而增加; 相比于行车道, 硬路肩路面径流的退水时间延长约20%;较大的坡度组合(横坡为3%, 纵坡为2%) 有利于排水; 当采用集中排水时, 路缘石的阻拦使路侧产生壅水, 壅水区宽度为6~8 m, 壅水区范围占路面宽度的比例随路面宽度的增加而逐渐缩小, 非壅水区内的路面径流深度变化与漫排水条件下基本相同; 为保证行车安全, 可通过改变路面坡度来减少路面径流的汇流时间; 路缘石对路面径流的阻拦效应明显, 在排水设计中应合理设置路缘石高度与开口间隔, 避免行车道出现壅水现象。     

破裂水泥混凝土路面板沥青加铺层温度应力影响因素

为了防止水泥混凝土路面加铺沥青面层反射裂缝的产生, 采用有限元方法, 视路面结构为弹性层状体系, 建立沥青加铺层、补强层、破裂水泥混凝土路面板和地基组成的空间三维模型, 分析了破裂板块平面尺寸、降温幅度、沥青加铺层模量及厚度、结构补强层模量、混凝土路面板厚度等因素对沥青加铺层温度应力的影响。结果表明, 对破裂后的旧水泥混凝土路面板块, 沥青加铺层温度应力随其板块尺寸的减小而大幅度降低, 较大的降温幅度对加铺层温度应力的影响远大于车辆荷载产生的应力; 而降低沥青加铺层模量, 增大加铺层厚度等技术措施可明显改善破裂板接缝处的应力状况, 并能有效地防止沥青加铺层反射裂缝的产生。     

改性沥青疲劳破坏判定指标适用性

采用Malvern动态剪切流变仪, 在应力/应变2种荷载控制模式下对90^#基质沥青、SBS改性沥青、岩沥青改性沥青、胶粉改性沥青、岩沥青/SBS复合改性沥青和岩沥青/胶粉复合改性沥青(RA/CRCMA)进行了时间扫描疲劳试验; 采用5种疲劳失效定义方式确定了改性沥青疲劳寿命; 使用统计学分析方法评价了改性沥青疲劳破坏判定指标的适用性; 采用推荐指标对比分析了改性沥青的疲劳性能。研究结果表明: 基于归一化动态模量确定的指标独立于荷载控制模式和沥青种类; 基于相位角和累积耗散能比确定的指标显著依赖于改性沥青种类和荷载控制模式, 且不具备普适性; 基于耗散能变化率确定的指标仅适用于应力控制模式的疲劳寿命判断; 基于简化耗散能变化率确定的指标受沥青种类影响较小, 对本研究所有试验沥青均具有较好的疲劳寿命评价效果; 归一化动态模量和简化耗散能变化率确定的指标在应力/应变控制模式下的相关系数高达0.94, 平均绝对误差低于20%, 展现出了较好的相关性及等效的疲劳寿命排序结果, 由于其计算简单, 定义明确, 因此, 推荐其作为时间扫描疲劳试验中检测沥青疲劳失效的判定标准; 采用推荐指标对本研究试验沥青的疲劳寿命排序可知, 添加18%胶粉和5%岩沥青的RA/CRCMA在应力/应变2种控制模式下均展现出较优的抗疲劳性能。